Mechanismus účinku rostlinných hormonů brasinosteroidů na růst kořenů se podařilo objasnit biologům z Belgie a České republiky. Výsledky jejich výzkumu vlivu hladiny brasinosteroidů na dělení a růst buněk kořene, které zveřejnil prestižní odborný časopis Nature Plants, přispějí k lepšímu pochopení vývoje kořenového systému. V budoucnu mohou najít uplatnění v zemědělství, například při zvyšování odolnosti plodin.

V mezinárodním týmu byli vědci z Laboratoře růstových regulátorů v Olomouci, což je společné pracoviště našeho ústavu a Univerzity Palackého. Na výzkumu se podílel i odborník z Přírodovědecké fakulty Univerzity Karlovy.

Hormony regulují mnoho životních pochodů, od hladiny krevního cukru po nástup puberty. Kromě lidí a zvířat mají své hormony také rostliny. Rostlinné hormony jsou důležité pro správný růst a vývoj rostlin. Využívají se i při množení a pěstování zemědělských plodin či okrasných květin. Jedna skupina rostlinných hormonů – brasinosteroidy – výrazně ovlivňuje například růst kořenů.

Čeští odborníci patří ke světové špičce na poli biologického i chemického výzkumu těchto látek. Jednoznačně to platí o Laboratoři růstových regulátorů, společném pracovišti Ústavu experimentální botaniky Akademie věd ČR a Univerzity Palackého v Olomouci.

Olomoučtí vědci se nyní podíleli na projektu, který detailně zkoumal působení rostlinných hormonů brasinosteroidů na kořeny pokusné rostliny huseníčku rolního. Jejich partnery byli badatelé z belgického Gentu a Matyáš Fendrych z Přírodovědecké fakulty Univerzity Karlovy v Praze. Hlavním autorem výsledného odborného článku je Nemanja Vukašinović, který nyní pracuje v Gentu. Předtím však strávil několik let v našem ústavu, konkrétně v pražské Laboratoři buněčné biologie.

„Brasinosteroidy působí komplexně na růst a vývoj rostlin. Cílem tohoto projektu bylo objasnit jejich roli v růstu kořene. My jsme se podíleli jak na biologických experimentech v belgickém Gentu, kde byla na dlouhodobé stáži naše doktorská studentka Petra Jiroutová, tak poté na kvantifikaci brasinosteroidů v jednotlivých částech kořene,“ říká za olomoucké badatele Jana Oklešťková.

Na špičce kořene se nachází meristém, což je oblast, v níž se buňky intenzivně množí dělením. Za meristémem následuje prodlužovací zóna, kde se buňky již nedělí, zato však výrazně rostou do délky. Brasinosteroidy kontrolují oba tyto procesy.

Molekuly brasinosteroidů spouštějí v buňkách kaskádu pochodů, jejichž konečným výsledkem je utlumení nebo zesílení aktivity tisíců genů. V kořeni vykazují nejsilnější odpověď na působení těchto hormonů buňky z prodlužovací zóny. Dosud však nebylo jasné, proč tomu tak je. V úvahu připadala vyšší hladina brasinosteroidů v této části kořene nebo mimořádná citlivost buněk na rostlinný hormon.

Hladiny brasinosteroidů v kořenech hrachu jsou nízké v zóně s aktivně se dělícími buňkami a vzrůstají směrem k zóně, v níž se buňky prodlužují. Chemický vzorec na obrázku patří brasinolidu, prvnímu popsanému zástupci této skupiny rostlinných hormonů. Autor Ota Blahoušek.

Možné využití: odolnost plodin proti stresu

Belgicko-český tým se rozhodl tuto otázku zodpovědět. Výzkum zahrnoval měření hladin hormonů, studium mutantů i mapování aktivity vybraných genů. A přinesl důležitá zjištění.

Syntéza brasinosteroidů probíhá v několika krocích, které zajišťují specializované enzymy. V kořenové špičce jsou geny pro všechny tyto enzymy aktivní, ovšem každý z nich jenom v části buněk. Žádná buňka tak nemůže uskutečnit celou syntézu a meziprodukty zřejmě musí putovat z buňky do buňky. Je to podobné, jako kdyby se auta nemontovala na jedné velké lince, ale během výroby se převážela mezi několika továrnami.

Když se vědci podívali dál od špičky kořene, objevili největší aktivitu genů pro sledované enzymy v prodlužovací zóně. Analýzy provedené v Olomouci na kořenech hrachu potvrdily, že ve stejné oblasti jsou rovněž nejvyšší hladiny brasinosteroidů.

Vědci se proto rozhodli zjistit, jaký to má biologický význam. Další experimenty ukázaly, že nižší koncentrace brasinosteroidů podporují dělení kořenových buněk, zatímco vysoké koncentrace stimulují jejich prodlužování. Změny v hladinách těchto hormonů podél kořene proto buňkám nejspíš slouží jako informace, zda se mají ještě dělit, nebo už mají přejít k růstu do délky.

„Věříme, že výsledky pomohou lépe objasnit složitou problematiku syntézy a transportu těchto hormonů v rostlinách. To může vést k jejich širšímu využití v zemědělství – například pro zvýšení odolnosti plodin vůči různým stresovým faktorům, jako je třeba nedostatek vody v půdě,“ uvedla Jana Oklešťková.

* * *

Odkaz na článek

Vukašinović N., Wang Y., Vanhoutte I., et al. (2021): Local brassinosteroid biosynthesis enables optimal root growth. Nature Plants 7: 619–632.

https://doi.org/10.1038/s41477-021-00917-x (placený přístup)

Text: Jan Kolář (Ústav experimentální botaniky AV ČR) a Šárka Chovancová (Přírodovědecká fakulta Univerzity Palackého v Olomouci), úpravy Markéta Růžičková (Středisko společných činností AV ČR)